Nanoingenieure verstärken Signale von Fluoreszenzsensoren

Fluoreszenzsensoren, die zur Markierung und Abbildung einer Vielzahl von Molekülen verwendet werden können, bieten einen einzigartigen Einblick in das Innere lebender Zellen. Sie können jedoch normalerweise nur in Zellen verwendet werden, die in einer Laborschale oder in Geweben nahe der Körperoberfläche gezüchtet werden, da ihr Signal verloren geht, wenn sie zu tief implantiert werden.

MIT-Ingenieure haben nun einen Weg gefunden, diese Einschränkung zu überwinden. Unter Verwendung einer neuartigen photonischen Technik, die sie zur Anregung eines beliebigen Fluoreszenzsensors entwickelt haben, konnten sie das Fluoreszenzsignal dramatisch verbessern. Mit diesem Ansatz zeigten die Forscher, dass sie Sensoren bis zu einer Tiefe von 5,5 Zentimetern in Gewebe implantieren und dennoch ein starkes Signal erhalten können.

Diese Art von Technologie könnte es ermöglichen, fluoreszierende Sensoren zu verwenden, um bestimmte Moleküle im Gehirn oder in anderen Geweben tief im Körper zu verfolgen, für die medizinische Diagnose oder die Überwachung von Medikamentenwirkungen, sagen die Forscher.

„Wenn Sie einen fluoreszierenden Sensor haben, der biochemische Informationen in Zellkulturen oder in dünnen Gewebeschichten untersuchen kann, können Sie mit dieser Technologie all diese fluoreszierenden Farbstoffe und Sonden in dickes Gewebe übersetzen“, sagt Volodymyr Koman, ein MIT-Forscher und einer der Hauptautoren der neuen Studie.

Naveed Bakh SM ’15, Ph.D. ’20 ist auch Hauptautor des Papiers, das heute in erscheint Natur Nanotechnologie. Michael Strano, Carbon P. Dubbs-Professor für Chemieingenieurwesen am MIT, ist der leitende Autor der Studie.

Verbesserte Fluoreszenz

Wissenschaftler verwenden viele verschiedene Arten von fluoreszierenden Sensoren, darunter Quantenpunkte, Kohlenstoffnanoröhren und fluoreszierende Proteine, um Moleküle in Zellen zu markieren. Die Fluoreszenz dieser Sensoren kann man sehen, wenn man sie mit Laserlicht bestrahlt. Dies funktioniert jedoch nicht in dickem, dichtem Gewebe oder tief im Gewebe, da das Gewebe selbst auch etwas fluoreszierendes Licht abgibt. Dieses als Autofluoreszenz bezeichnete Licht übertönt das vom Sensor kommende Signal.

„Alle Gewebe fluoreszieren, und das wird zu einem limitierenden Faktor“, sagt Koman. „Wenn das Signal des Sensors immer schwächer wird, wird es von der Autofluoreszenz des Gewebes überholt.“

Um diese Einschränkung zu überwinden, entwickelte das MIT-Team eine Möglichkeit, die Frequenz des vom Sensor emittierten Fluoreszenzlichts zu modulieren, sodass es leichter von der Autofluoreszenz des Gewebes unterschieden werden kann. Ihre Technik, die sie wellenlängeninduzierte Frequenzfilterung (WIFF) nennen, verwendet drei Laser, um einen Laserstrahl mit einer oszillierenden Wellenlänge zu erzeugen.

Wenn dieser oszillierende Strahl auf den Sensor gerichtet wird, bewirkt er, dass die vom Sensor emittierte Fluoreszenz ihre Frequenz verdoppelt. Dadurch kann das Fluoreszenzsignal leicht aus der Hintergrund-Autofluoreszenz herausgegriffen werden. Mit diesem System konnten die Forscher das Signal-Rausch-Verhältnis der Sensoren um mehr als das 50-fache verbessern.

Eine mögliche Anwendung für diese Art der Erfassung ist die Überwachung der Wirksamkeit von Chemotherapeutika. Um dieses Potenzial zu demonstrieren, konzentrierten sich die Forscher auf das Glioblastom, eine aggressive Form von Hirntumoren. Patienten mit dieser Art von Krebs werden normalerweise operiert, um so viel Tumor wie möglich zu entfernen, und erhalten dann das Chemotherapeutikum Temozolomid (TMZ), um zu versuchen, alle verbleibenden Krebszellen zu eliminieren.

Dieses Medikament kann schwerwiegende Nebenwirkungen haben, und es wirkt nicht bei allen Patienten, daher wäre es hilfreich, eine Möglichkeit zu haben, auf einfache Weise zu überwachen, ob es wirkt oder nicht, sagt Strano.

„Wir arbeiten an einer Technologie, um kleine Sensoren herzustellen, die in der Nähe des Tumors selbst implantiert werden könnten, die einen Hinweis darauf geben können, wie viel Medikament am Tumor ankommt und ob es metabolisiert wird. Sie könnten einen Sensor in der Nähe des Tumors platzieren und überprüfen von außerhalb des Körpers die Wirksamkeit des Medikaments in der tatsächlichen Tumorumgebung“, sagt er.

Wenn Temozolomid in den Körper gelangt, wird es in kleinere Verbindungen zerlegt, darunter eine, die als AIC bekannt ist. Das MIT-Team entwarf einen Sensor, der AIC erkennen konnte, und zeigte, dass es ihn bis zu einer Tiefe von 5,5 Zentimetern in ein Tiergehirn implantieren konnte. Sie konnten das Signal des Sensors sogar durch den Schädel des Tieres lesen.

Solche Sensoren könnten auch entwickelt werden, um molekulare Signaturen des Tumorzelltods zu erkennen, wie z. B. Reaktionssauerstoffspezies.

„Jede Wellenlänge“

Zusätzlich zum Nachweis der TMZ-Aktivität demonstrierten die Forscher, dass sie WIFF verwenden könnten, um das Signal von einer Vielzahl anderer Sensoren zu verstärken, einschließlich Sensoren auf Kohlenstoff-Nanoröhren-Basis, die Stranos Labor zuvor entwickelt hat, um Wasserstoffperoxid, Riboflavin und Ascorbinsäure nachzuweisen.

„Die Technik funktioniert bei jeder Wellenlänge und kann für jeden Fluoreszenzsensor verwendet werden“, sagt Strano. „Weil Sie jetzt so viel mehr Signal haben, können Sie einen Sensor in Gewebetiefen implantieren, die vorher nicht möglich waren.“

Für diese Studie verwendeten die Forscher drei Laser zusammen, um den oszillierenden Laserstrahl zu erzeugen, aber in zukünftigen Arbeiten hoffen sie, einen abstimmbaren Laser verwenden zu können, um das Signal zu erzeugen und die Technik noch weiter zu verbessern. Dies sollte machbarer werden, wenn der Preis für durchstimmbare Laser sinkt und sie schneller werden, sagen die Forscher.

Um die Verwendung von Fluoreszenzsensoren bei menschlichen Patienten zu erleichtern, arbeiten die Forscher an Sensoren, die biologisch resorbierbar sind, sodass sie nicht chirurgisch entfernt werden müssen.